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由发动机驱动的压缩机将气态的制冷剂从蒸发器中抽出，并将其压入冷凝器。高压气态制冷剂经冷凝器时液化而进行热交换（释放热量），热量被车外的空气带走。高压液态制冷剂经膨胀阀的节流作用而降压，低压液态制冷剂在蒸发器中气化而进行热交换（吸收热量），蒸发器附近被冷却了的空气通过鼓风机吹入车厢。气态制冷剂又被压缩机抽走，泵入冷凝器，如此使制冷剂进行封闭的循环流动，不断将车厢内的热量排到车外，使车厢内的气温降至适宜的温度。
压缩机是汽车空调制冷系统的“心脏”，其作用是维持制冷剂在制冷系统中的循环，吸入来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气，压缩制冷剂蒸气使其压力和温度上升，并将制冷剂蒸气送往冷凝器。
定排量压缩机的排气量随着发动机转速的提高而成比例提高，它不能根据制冷的需求而自动改变功率输出，而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号，当温度达到设定的温度时，压缩机电磁离合器松开，压缩机停止工作；当温度上升后，电磁离合器结合，压缩机开始工作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制，当管路内压力过高时，压缩机停止工作。
变排量压缩机能够准确的通过设定的温度自动调节功率输出。空调控制管理系统不采集蒸发器出风口的温度信号，而是根据空调管路内压力的变化信号控制压缩机的压缩比来自动调节出风口温度。在制冷的全过程中，压缩机始终是工作的，制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端的压力过高时，压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比，这样就会降冷强度；当高压端压力下降到某些特定的程度，低压端压力上升到某些特定的程度时，压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。
蒸发器的作用是将从膨胀阀出来的低压制冷剂蒸发而吸收车内空气的热量，进而达到车内降温的目的。蒸发器有管片式、管带式和层叠式。目前我国轿车上主要是采用全铝层叠式和管带式蒸发器，大型客车上主要是采用铜管铝片式蒸发器，中型客车上几种型式都有，以管带式为主。
从膨胀阀或节流孔管流出、立即进入蒸发器的制冷剂由于体积突然膨胀而变成低温低压雾状物微粒液体。这种状态的制冷剂很容易气化，气化时将吸收周围大量的热量，空调风机强制使进入车内的空气从蒸发器表面流过，通过管片将热量传给蒸发器内的制冷剂，通过吸收热量使液态的制冷剂气化。
冷凝器最重要的作用就是完成制冷系统的热量交换。冷凝器是汽车空调中的散热装置，将压缩机压缩过程中冷媒产生的热量发散到车外空间中，使压缩机出来的高温度高压力气体变为中温高压液体。
制冷剂被压缩机压缩到冷凝器，冷凝器的末端有毛细管，毛细管会产生阻力，使从压缩机压缩过来的气态制冷剂液化而达到放热的效果。
由于汽车空调正常工作时，制冷剂的供应量大于蒸发器的需要量，所以高压侧液态制冷剂有一定的储存量；同时，随着季节的变化，在系统不运行或检修、更换系统内的零件时，可以将系统中的制冷剂收入到高压侧进行储存，以免制冷剂泄漏。因此在汽车空调制冷系统中，需设置储液干燥器（下图）来临时存储冷凝器液化的制冷剂并进行干燥和过滤处理。
（1）储存制冷剂。接收从冷凝器来的液体并加以储存，根据蒸发器的需要提供所需制冷剂量。
（2）过滤杂质。将系统中常常会出现的杂质、脏物，如锈迹、污垢、金属粒等过滤掉，这些杂质、脏物会损伤压缩机气缸壁和轴承，还会堵塞过滤网和膨胀阀。
（3）吸收湿气。汽车空调制冷系统中湿气要求越少越好，因为湿气会造成“冰塞”并腐蚀系统管道等，使之异常工作。
储液干燥器由干燥器盖、干燥器体、引出管、过滤部分、干燥部分所组成。干燥器盖上设有进液孔和出液孔，并装有视液玻璃和易熔塞。易熔塞的中部开有小孔，孔中灌有低熔点金属。当高压侧压力达到2.9MPa、温度达到95℃时，低熔点金属熔化，并把制冷剂排放到大气中去，防止总系统遭受损坏。视液玻璃用来观察制冷系统内制冷剂的流动状况。
有些储液干燥器上还装有维修阀，供维修制冷系统安装压力表和加注制冷剂之用；有些车型的储液干燥器上装有压力开关，可在系统压力不正常时，中止压缩机工作（下图）。
1—制冷剂入口；2—制冷剂出口；3—过滤网；4—干燥剂；5—输液管；6—水分
（1）节流作用。高温度高压力的液态制冷剂经过膨胀阀的节流孔节流后，成为低温低压的雾状制冷剂，为制冷剂的蒸发创造条件。
（2）控制制冷剂的流量。进入蒸发器的液态制冷剂，经过蒸发器后，制冷剂由液态蒸发为气态，吸收热量，降低车内的温度。膨胀阀控制制冷剂的流量，保证蒸发器的出口完全为气态制冷剂，若流量过大，出口含有液态制冷剂，可能进入压缩机产生液击；若流量过小，提前蒸发完毕，造成制冷不足。
膨胀阀按照平衡方法不一样，分内平衡式和外平衡式。外平衡式膨胀阀又分为F 型和H 型两种结构型式。